重油最大化制取低碳烯烴是一個世界性難題，如今這一難題有了破解之道。中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院等單位通過革新催化劑研發(fā)設計模式和方法，制備出用于重油制低碳烯烴的專用催化劑，完成了重油最大量制低碳烯烴催化劑的工業(yè)開發(fā)與應用，在實現(xiàn)重油“掘金”夢的同時，譜寫了一曲后發(fā)趕超的樂章，并因此獲得了2011年度國家科學技術(shù)進步二等獎。
乙烯、丙烯作為低碳烯烴的代表，是國民經(jīng)濟中重要的有機化工原料，也是衡量一個國家化學工業(yè)水平的重要標準。低碳烯烴一般采用輕油蒸汽裂解的常規(guī)方法制取。近年來美國環(huán)球油品公司（UOP）、�？松梨诠荆‥xxonMobil）、格雷斯公司（Grace Davison）等國際著名石化公司嘗試利用價格低廉的重油生產(chǎn)高附加值乙烯、丙烯，但一直無法突破丙烯收率僅8%～11%的瓶頸。該項目則提出了全新的催化劑設計理念，大大縮短了開發(fā)周期，提高了催化劑開發(fā)效率，填補了重油制低碳烯烴催化劑開發(fā)的空白，滿足了化工市場緊缺原料的需求，具有顯著的經(jīng)濟效益。其兩種專用催化劑分別于2004年、2006年研發(fā)成功后，先后在中國石化安慶分公司及荊門分公司、沈陽化工集團、中國藍星大慶分公司、泰國國家煉油化工一體化公司、沙特阿美等重油催化裂解工業(yè)裝置上得到應用。
全球著名的裂解工藝專利商美國紹爾集團對這項成果給予了高度的評價：“中國石化在催化裂解催化劑研發(fā)領域提出了新的設計理念，據(jù)此開發(fā)出具有世界領先水平的重油裂解制低碳烯烴專用催化劑，并已在世界最大規(guī)模的重油制低碳烯烴裝置——沙特拉比格煉廠450萬噸/年催化裂解裝置上應用，丙烯產(chǎn)率超過設計值，并創(chuàng)世界最高丙烯產(chǎn)率，比最接近的競爭對手多產(chǎn)丙烯130%�！�
據(jù)該項目第一完成單位石油化工科學研究院相關(guān)負責人介紹，重油之所以重，主要因為它的碳數(shù)極高，達到40～50，其反應體系極為復雜。然而，低碳烯烴的碳數(shù)只有2～4，要實現(xiàn)從極高碳數(shù)的重油原料向極低碳數(shù)的低碳烯烴產(chǎn)品長過程轉(zhuǎn)化，催化劑開發(fā)必須實現(xiàn)重油加工、輕油裂解這兩大復雜反應體系的集成，同時要打破依靠經(jīng)驗篩選開發(fā)催化劑的傳統(tǒng)模式。
提高收率首先要找到癥結(jié)所在，然后才能對癥下藥。石科院的科技人員從催化劑開發(fā)的源頭抓起，對影響催化劑性能的所有因素全面考量，根據(jù)作用的不同將其分為兩類，找到丙烯產(chǎn)率與兩類因素的關(guān)系，創(chuàng)建了使用這兩類因素調(diào)控重油生產(chǎn)丙烯、乙烯的物理模型，為催化劑開發(fā)提供了嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)支撐，彌補了依靠經(jīng)驗來篩選催化劑的不足。在科學的物理模型基礎上，科研人員創(chuàng)新開發(fā)出催化劑物性變量因子的精細調(diào)控技術(shù)，設計出用重油最大化生產(chǎn)低碳烯烴的概念催化劑，大大降低了實驗工作量和成本，使研發(fā)催化劑的進程由傳統(tǒng)模式的3～5個月縮短為1～2個月。
開發(fā)出優(yōu)異的概念催化劑只是項目的初步成果。催化劑從概念到工業(yè)應用，還要攻克分子篩研制、制備技術(shù)優(yōu)化等難關(guān)。據(jù)介紹，科研人員通過催化劑物理模型發(fā)現(xiàn)，重油直接生成低碳烯烴十分困難，但先生成碳數(shù)5～8的烯烴作為低碳烯烴的“中間原料”，即可大幅提高低碳烯烴的收率。不過這些僅僅依靠傳統(tǒng)催化劑所選用的FAU和MFI結(jié)構(gòu)的分子篩無法實現(xiàn)的。于是，科研人員首次在重油催化裂解催化劑中引入β分子篩，先增加低碳烯烴的“中間原料”，隨后再使用MFI分子篩并改善其活性和選擇性，最終掌握了重油制低碳烯烴催化劑的分子篩生產(chǎn)技術(shù)。
用合適的分子篩生產(chǎn)出達標的催化劑，還需要改善制備技術(shù)�？蒲腥藛T通過研究催化劑成膠動力學和酸性調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了催化劑各影響因子的精細調(diào)控，完成了催化劑反應性能的優(yōu)化。此外，首次引入了固化溫度較低的熱敏骨架組元，顯著提升了催化劑成形效果，成功突破了概念催化劑向工業(yè)催化劑轉(zhuǎn)化的技術(shù)瓶頸，最終制備出高效的重油專用催化劑。